導(dǎo)讀

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程國(guó)立研究所設(shè)計(jì)出一種創(chuàng)新的生物醫(yī)學(xué)方案，使得血液中的礦物復(fù)合物相互作用，一次可調(diào)節(jié)血糖數(shù)天。在一項(xiàng)于老鼠身上展開(kāi)的概念驗(yàn)證研究中，研究人員采用由生化反應(yīng)設(shè)計(jì)出的可溶性微針，響應(yīng)血液化學(xué)，自動(dòng)控制血糖。

背景

近日，國(guó)際糖尿病聯(lián)盟公布了第八版的全球糖尿病地圖。結(jié)果顯示，全球糖尿病成人患者（20-79歲）從2000年的1.51億，到2017年已達(dá)到4.25億，增加近2倍。預(yù)計(jì)到2045年，糖尿病患者可能達(dá)到6.29億。

持續(xù)監(jiān)測(cè)血糖值對(duì)于糖尿病患者的健康來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。因此，餐前指尖采血以及胰島素注射是必要的檢查和治療手段，但是上述過(guò)程往往會(huì)為患者帶來(lái)創(chuàng)傷以及不舒服的體驗(yàn)。

然而，以前筆者介紹過(guò)韓國(guó)首爾基礎(chǔ)科學(xué)研究院的研究人員采用石墨烯材料制成的柔性可穿戴設(shè)備（腕帶）檢測(cè)和治療糖尿病的方案。當(dāng)糖尿病人佩戴腕帶后，腕帶將會(huì)檢測(cè)皮膚上的汗液，并通過(guò)傳感器檢測(cè)患者的汗液溫度和pH值，分析出血糖值，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將血糖數(shù)據(jù)傳輸至智能手機(jī)，供患者參看。然后，智能手機(jī)會(huì)根據(jù)血糖值計(jì)算出給藥量。一旦發(fā)現(xiàn)血糖值偏高，腕帶中的加熱器就會(huì)加熱并分解涂層，至41攝氏度時(shí)，微針就暴露出來(lái)，釋放出二甲雙胍，降低血糖值。而這個(gè)微針造成的創(chuàng)傷非常小，人體幾乎感覺(jué)不到。

（圖片來(lái)源：Hui Won Yun / 首爾大學(xué)）

創(chuàng)新

最近，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程國(guó)立研究所（NIBIB）設(shè)計(jì)出一種創(chuàng)新的生物醫(yī)學(xué)方案，使得血液中的礦物復(fù)合物相互作用，一次可調(diào)節(jié)血糖數(shù)天。在一項(xiàng)于老鼠身上展開(kāi)的概念驗(yàn)證研究中，研究人員展示了由生化反應(yīng)設(shè)計(jì)出的可溶性微針，響應(yīng)血液化學(xué)，自動(dòng)控制血糖。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

技術(shù)

NIBIB 科學(xué)主任 Richard Leapman 博士表示，2型糖尿病患者仍可以產(chǎn)生出一些胰島素。胰島素是一種在胰腺中產(chǎn)生的激素，并可以分泌到血液中，根據(jù)攝取的食物調(diào)節(jié)血糖。胰島素需要將葡萄糖從血液中移動(dòng)到細(xì)胞中，在細(xì)胞中血糖會(huì)被轉(zhuǎn)化為能量或者存儲(chǔ)下來(lái)。1型糖尿病，多發(fā)于兒童和青少年，患者身體根本不會(huì)產(chǎn)生任何胰島素。而2型糖尿病，可發(fā)生于任何年齡段，但是多發(fā)于成年人，會(huì)逐步減少身體產(chǎn)生或者使用胰島素的能力。如果未得到治療，糖尿病將帶來(lái)全身血管和神經(jīng)的損傷，使得眼睛、足部、腎臟和心臟的功能受到影響。

所有糖尿病患者中，90%是2型糖尿病。許多人都需要采用胰島素治療，胰島素治療通常是通過(guò)皮下注射適量胰島素進(jìn)行。而這個(gè)量是血液中自然生成的胰島素量的虧空所決定的。胰島素療法在半數(shù)糖尿病人當(dāng)中效果不是太好。

分子成像和納米醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員 Xiaoyuan (Shawn) Chen 領(lǐng)導(dǎo)的NIBIB 研究人員，致力于采用一種替代療法調(diào)節(jié)2型糖尿病患者的血糖水平，就是使用這種無(wú)痛的皮膚貼片。2017年11月24日，在線(xiàn)發(fā)表于《自然通信》雜志上的研究表明，團(tuán)隊(duì)對(duì)于老鼠采用這種療法，演示了該療法的潛在效力。

這種實(shí)驗(yàn)級(jí)貼片的基礎(chǔ)是一種稱(chēng)為“藻酸鹽”（alginate）的材料，它是一種可以從褐藻中提取的膠狀自然物。它與治療藥物混合，倒入微針中，制成貼片。Chen 表示，藻酸鹽是一種柔韌的材料，它是軟的，也不是太軟。它必需能夠戳入真皮中，雖然不是一種通用的針材料，在這個(gè)案例中，它似乎工作地很好。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

Chen 的團(tuán)隊(duì)在藻酸鹽中加入一種生物化學(xué)粒子配方，它在必要時(shí)會(huì)刺激身體自身的胰島素生產(chǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)正常的血糖濃度時(shí)，會(huì)削減胰島素的刺激作用。貼片的應(yīng)激傳遞系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足身體幾日的需求，而不是一次用完。

Chen 表示，糖尿病是一種非常嚴(yán)重的疾病，也影響了許多人。每個(gè)人都在尋找一種長(zhǎng)效配方。

Chen 的配方將兩種藥物成分：exendin-4 和葡糖氧化酶放到貼片中。這兩種成分與血液化學(xué)起反應(yīng)，促進(jìn)胰島素分泌。每種成分與一種磷酸鹽礦物顆粒相匹配，這種顆?？梢栽谛枰獣r(shí)穩(wěn)定成分。當(dāng)糖濃度升高時(shí)產(chǎn)生的酸性，通過(guò)某種礦物中的藥物成分，而不是其他礦物，弱化鍵合。

Exendin-4 與身體產(chǎn)生的分子的基因組成相似，并且在有食物攝取時(shí)在腸道中分泌。盡管它相對(duì)于自然產(chǎn)生的分子來(lái)說(shuō)有點(diǎn)弱，團(tuán)隊(duì)選擇采用Exendin-4，是因?yàn)镋xendin-4在一個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)在血液中降解，所以在釋放后會(huì)具有長(zhǎng)期持久的作用。然而，如果吸收太多，它會(huì)引起惡心。為了控制它的吸收速度，研究人員將exendin-4與磷酸鈣礦物顆粒相結(jié)合，穩(wěn)定它直到另外一種化學(xué)反應(yīng)發(fā)生為止。那個(gè)化學(xué)反應(yīng)就是由貼片中的第二個(gè)化學(xué)成分：葡糖氧化酶引起，它存在于磷酸銅礦物緩沖劑中。

Chen 解釋道，當(dāng)血糖高于某個(gè)準(zhǔn)確的值時(shí)，它會(huì)觸發(fā)磷酸銅與葡萄糖氧化酶之間的反應(yīng)，從而產(chǎn)生出輕微的酸性，使得磷酸鈣釋放出一些exendin-4 。血糖水平上升會(huì)觸發(fā)exendin-4 釋放，但是然后exendin-4 會(huì)促使胰島素流動(dòng)降低血糖水平，這樣又減緩和阻止了exendin-4釋放。

價(jià)值

這種一周一次的微針貼片應(yīng)用，相對(duì)于需要經(jīng)常進(jìn)行血液測(cè)試的方法，將會(huì)簡(jiǎn)單一些，并且疼痛較輕。

Chen 表示，這也就是為什么我們稱(chēng)之為響應(yīng)型或者智能的釋放。目前，大多數(shù)的現(xiàn)有方案都是恒定釋放。在需要時(shí)，我們的方案會(huì)創(chuàng)造出一波快速釋放，然后在血糖水平穩(wěn)定時(shí)，降低或者甚至停止釋放。

未來(lái)

研究人員演示了約半平方英寸的貼片，它含有充足的藥物控制血糖水平達(dá)一周。為了讓該方案可以發(fā)展為2型糖尿病患者能采用的方式，團(tuán)隊(duì)將展開(kāi)測(cè)試，利用含有按比例算更多的治療性成分的貼片，治療更大型的動(dòng)物。除了尺寸，貼片也需要改變以便應(yīng)用于人類(lèi)皮膚，很可能需要更長(zhǎng)的針。

Chen 表示，我們需要按比例增加貼片尺寸，優(yōu)化針的長(zhǎng)度、形狀和形態(tài)。此外，貼片還需要與日常生活相適應(yīng)，例如淋浴或者出汗的狀況。Chen受到他成功的實(shí)驗(yàn)以及其他實(shí)驗(yàn)型微針貼片開(kāi)發(fā)者的鼓舞。例如，其他人已采用含有胰島素的微針裝置完成了針對(duì)人類(lèi)的早期研究，對(duì)于1型和2型糖尿病患者都有效。他希望從這些設(shè)備的開(kāi)發(fā)中汲取經(jīng)驗(yàn)，并應(yīng)用于在這項(xiàng)研究中他們團(tuán)隊(duì)測(cè)試的微針貼片。

關(guān)鍵字

醫(yī)療、糖尿病

參考資料

【1】http://en.nagoya-u.ac.jp/research/activities/news/2017/12/development-of-a-nanowire-device-to-detect-cancer-with-a-urine-test.html

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/12/e1701133

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